Как ученые выращивают человеческие мозги в лаборатории

Органоиды головного мозга получают из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и эмбриональных стволовых клеток в клеточных культурах. Для получения органоида требуется, чтобы стволовые клетки, клетки-предшественники и множество других типов дифференцированных клеток стали вместе собираться в единую систему.

Эти клетки собираются в структуры, которые напоминают определенные области мозга и имитируют специфические изменения в реальных органах. Например, при неврологических расстройствах. Таким образом, органоиды стали отличной моделью для исследования развития мозга и неврологических заболеваний.

Первые органоиды получили в Австрии в 2013 году и с тех пор направление быстро развивается: учёные уже создали, например, органоиды почек, печени, лёгких, сетчатки глаза. В 2021 году в Университете Лос—Анджелеса исследователи разработали органоиды мозга, в которых можно наблюдать волны электрической активности, аналогичные тем, которые нейробиологи обнаруживают в мозге живого человека.

В другом исследовании 2021 года исследователи смогли вырастить такой искусственный мозг вместе со структурой глаза, называемой оптической чашечкой. Органоиды спонтанно развили двусторонне симметричные оптические чашки в своей передней части, демонстрируя внутреннюю способность стволовых клеток к самосборке в очень сложные биологические структуры.

В Институте цитологии и генетики СО РАН уже около года культивируют церебральные органоиды в отделе молекулярных механизмов онтогенеза. 3D-органоидами называют трёхмерные ткани, которые по строению очень близки к отдельным частям настоящих органов. Условно говоря, это зачатки органов, выращенные из стволовых клеток.

С церебральными органоидами можно проводить эксперименты, которые ещё недавно считались фантастикой. Мини-мозги проходят те же стадии развития, что и мозг зародыша, а значит, позволяют наблюдать за процессом нейрогенеза и за тем, как на него влияют различные факторы. Развитие плода в утробе матери — тот период, когда закладываются многие наследственные заболевания мозга и нервной системы. С настоящим мозгом такие опыты провести невозможно по естественным причинам: он надёжно спрятан от внешнего воздействия в черепной коробке.

На мини-мозгах изучают формирование таких тяжелых психических расстройств, как шизофрения и болезнь Альцгеймера. Органоиды оказались полезными и в исследованиях механизмов действия вируса Зика, пандемия которого случилась в 2014 году. Более того, при помощи церебральных органоидов пытаются найти ген, который делает нас людьми: учёные сравнивали органоиды человека, орангутангов и шимпанзе. В США и Швеции даже вырастили органоиды с вариантами генов, которые отличаются у неандертальца и homo sapiens.

В Институте цитологии и генетики СО РАН мини-мозги начали выращивать, чтобы изучить влияние на развитие головного мозга гена CNTN6, кодирующего белок контактин 6: у некоторых людей с умственной отсталостью ген не работает. Исследователи предполагают, что результат этой «поломки» может проявляться на самой ранней, эмбриональной стадии жизни клеток. Если эксперименты подтвердятся, полученные данные можно будет использовать в пренатальном скрининге — тестировании потенциальных проблем со здоровьем у будущего ребенка.

Всё начинается с того, что у человека берут небольшой образец верхних слоёв кожи. Это безболезненная процедура, которая нужна, чтобы получить так называемую первичную культуру. Для создания органоидов в ИЦиГ СО РАН используют клетки кожи пациентов с умственной отсталостью, у которых есть повреждения в гене CNTN6. Из соединительной ткани кожи выделяют отдельные клетки — фибробласты. Их пересаживают в чашки, где они какое-то время растут и делятся. Затем наступает этап перепрограммирования клеток: специальные вирусы доставляют в ядра клеток белки, запускающие процесс превращения фибробластов в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки.

Из них можно получить любой тип клеток: это полные аналоги эмбриональных стволовых клеток, которые есть у зародышей всех млекопитающих на ранней стадии развития (на стадии бластоцисты) и из которых затем формируются все органы и ткани. Чтобы получить трёхмерную структуру, ученые скатывают ИПС-клетки в шарики, после чего те начинают специализироваться, превращаясь в три зародышевых листка, совсем как это происходит у настоящего эмбриона: эктодерму, энтодерму и мезодерму. В данном случае ученых интересует именно эктодерма, из которой образуются нейроны, а потом формируется нервная система, в том числе и головной мозг.

На ранних этапах развития головного мозга клетки должны «понимать», где у него «верх» и где «низ»: это помогает им мигрировать в нужном направлении и правильным образом взаимодействовать. Чтобы помочь клеткам органоида определить его границы, ученые используют специальный гель. Как объясняет младший научный сотрудник института Татьяна Шнайдер, основной компонент геля — это белки, которые концентрируются на поверхности органоидов, клетки их распознают как сигнал «верхней границы» (базальная мембрана), а внутри самого органоида спонтанно образуются «внутренние границы» (апикальная мембрана).

После этих манипуляций ёмкости с мини-мозгами переносят на орбитальный шейкер – платформу, которая вращается по кругу с определённой скоростью для того, чтобы питательные вещества и кислород лучше проникали внутрь органоида. На каждую линию приходится планшет с 96 лунками, в каждой лунке сидит будущий органоид: всего около тысячи потенциальных мини-мозгов, о которых нужно индивидуально заботиться и менять среду. Мыслить мини-мозги не могут: по мнению Татьяны Шнайдер, органов «выражения мыслей» у органоидов нет, но главное что в процесс мышления вовлечены несколько отделов мозга, а органоид обычно представляет собой только один отдел.